Ερευνητές ανέπτυξαν μια πρωτοποριακή τεχνολογία, το πρώτο ανθρώπινο μοντέλο «πνεύμονας-σε-τσιπ», χρησιμοποιώντας αποκλειστικά βλαστοκύτταρα από έναν και μόνο δότη. Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση προσομοιώνει με ακρίβεια την αναπνοή και την εξέλιξη πνευμονικών νόσων, ανοίγοντας νέους δρόμους για ρεαλιστικές δοκιμές θεραπειών σε λοιμώξεις όπως η φυματίωση και για εξατομικευμένες ιατρικές λύσεις.

Το τσιπ λειτουργεί ως ένας μικροσκοπικός πνευμονικός ιστός. Μπορεί να κινείται, όπως ακριβώς και ο ανθρώπινος πνεύμονας, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρατηρήσουν πώς το σώμα ενός συγκεκριμένου ατόμου αντιμετωπίζει τη φυματίωση, διευκολύνοντας την εύρεση της κατάλληλης θεραπείας για κάθε ασθενή.

Ο Μαξ Γκουτιέρεζ, επικεφαλής ομάδας του Εργαστηρίου Αλληλεπιδράσεων Ξενιστή-Παθογόνου στη Φυματίωση στο Ινστιτούτο Francis Crick στο Λονδίνο, δήλωσε: «Δεδομένης της αυξανόμενης ανάγκης για τεχνολογίες που δεν βασίζονται σε πειράματα σε ζώα, οι προσεγγίσεις ‘όργανο σε τσιπ’ καθίστανται ολοένα και πιο σημαντικές για την αναδημιουργία ανθρώπινων συστημάτων, αποφεύγοντας τις διαφορές στην ανατομία των πνευμόνων, τη σύνθεση των ανοσοκυττάρων και την ανάπτυξη ασθενειών μεταξύ ζώων και ανθρώπων». Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό ScienceAdvances.

Για να κατανοήσουν βαθύτερα πώς το ανθρώπινο σώμα αντιμετωπίζει αναπνευστικές ασθένειες, όπως η γρίπη και η φυματίωση, οι επιστήμονες ανέπτυξαν την τεχνολογία «πνεύμονας-σε-τσιπ». Αυτές οι μικροσκοπικές πλαστικές μονάδες αναπαράγουν τις πνευμονικές κυψελίδες, τον ζωτικό χώρο όπου πραγματοποιείται η ανταλλαγή αερίων και όπου εγκαθίστανται οι λοιμώξεις. Μέχρι σήμερα, τα μοντέλα αυτά περιορίζονταν από τη χρήση ενός συνδυασμού κυττάρων από διαφορετικές πηγές, γεγονός που δεν επέτρεπε την ακριβή αναπαράσταση της βιολογίας ενός ατόμου. Πλέον, η χρήση τσιπ κατασκευασμένων αποκλειστικά από το γενετικό υλικό ενός ατόμου επιτρέπει στους ερευνητές να παρακολουθούν με ακρίβεια τη μοναδική «μάχη» μεταξύ ανθρώπινων κυττάρων και βακτηρίων.

Η καινοτομία βασίζεται στη χρήση επαγόμενων πολυδύναμων βλαστοκυττάρων (iPSCs), τα οποία επιτρέπουν τη δημιουργία ενός μικροσκοπικού οικοσυστήματος με γενετικά πανομοιότυπα κύτταρα.

Ο Γκουτιέρεζ πρόσθεσε: «Αποτελούμενα εξ ολοκλήρου από γενετικά πανομοιότυπα κύτταρα, τα τσιπ μπορούν να κατασκευαστούν από βλαστοκύτταρα ατόμων με συγκεκριμένες γενετικές μεταλλάξεις. Αυτό θα μας επέτρεπε να κατανοήσουμε πώς λοιμώξεις όπως η φυματίωση επηρεάζουν κάθε άτομο ξεχωριστά και να δοκιμάσουμε την αποτελεσματικότητα θεραπειών, όπως τα αντιβιοτικά».

Για να προσομοιώσει την αναπνοή, το σύστημα της ελβετικής εταιρείας AlveoliX εφαρμόζει ρυθμική, τρισδιάστατη διάταση, μιμούμενο τη διαστολή της ανθρώπινης αναπνοής. Η μηχανική αυτή καταπόνηση είναι κρίσιμη για την ανάπτυξη των μικρολαχνών, απαραίτητων για τη σωστή λειτουργία των πνευμόνων. Για την προσομοίωση της λοίμωξης, οι ερευνητές «εφοδίασαν» το τσιπ με μακροφάγα (ανοσοκύτταρα) από τον ίδιο δότη και εισήγαγαν βακτήρια φυματίωσης, παρατηρώντας τα πρώτα στάδια της νόσου σε ένα ενιαίο, γενετικά συνεπές περιβάλλον.

Η φυματίωση εξελίσσεται αργά, και μπορεί να περάσουν μήνες από την εισπνοή των βακτηρίων έως την εμφάνιση του βήχα. Με την προσθήκη των ίδιων των ανοσοκυττάρων του δότη, η ομάδα μπόρεσε να παρακολουθήσει τη «μάχη» σε πραγματικό χρόνο, παρατηρώντας τον σχηματισμό νεκρών ανοσοκυττάρων πέντε ημέρες πριν καταρρεύσει ο φραγμός των πνευμονικών κυψελίδων.

Ο Τζάκσον Λουκ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Εργαστήριο Αλληλεπιδράσεων Ξενιστή-Παθογόνου στη Φυματίωση, δήλωσε: «Η φυματίωση είναι μια νόσος που εξελίσσεται αργά, με μήνες να μεσολαβούν ανάμεσα στη μόλυνση και την εμφάνιση συμπτωμάτων. Γι’ αυτό υπάρχει ολοένα και μεγαλύτερη ανάγκη να κατανοήσουμε τι συμβαίνει στα αθέατα, πρώιμα στάδια».

Η τεχνολογία αυτή προσφέρει μια εναλλακτική λύση στα ηθικά και ανατομικά όρια των πειραμάτων σε ζώα. Τα ποντίκια, για παράδειγμα, δεν αναπνέουν όπως οι άνθρωποι και το ανοσοποιητικό τους σύστημα δεν αντιδρά στη φυματίωση με τον ίδιο τρόπο.

Παρότι το παρόν μοντέλο επικεντρώνεται στη φυματίωση, η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει την έρευνα σε άλλες ασθένειες, όπως η γρίπη, ο κορονοϊός, ακόμη και ο καρκίνος του πνεύμονα.